Zellatmung ist der Prozess, bei dem lebende Organismen Energie aus der Nahrung gewinnen. Es gibt zwei Hauptmethoden. Aerobe Atmung – die von allen vielzelligen und einigen einzelligen Lebensformen verwendet wird – verwendet Sauerstoff in der Atmosphäre oder in Wasser gelöst als Teil eines komplexen Prozesses, der Energie freisetzt und speichert. Anaerobe Atmung wird von einer Vielzahl einzelliger Organismen verwendet und beinhaltet keinen ungebundenen Sauerstoff.
Die Entstehung der aeroben Atmung
Die ersten Lebensformen auf der Erde entstanden in einer Welt ohne freien Sauerstoff. Sie nutzten anaerobe Prozesse, um sich selbst mit Energie zu versorgen. Irgendwann, noch früh in der Erdgeschichte, entwickelten sich Organismen, die Photosynthese nutzten, um Zuckermoleküle aus Kohlendioxid, das aus der Atmosphäre gewonnen wurde, und Wasser herzustellen. Der Zucker diente als Energiequelle und als Nebenprodukt entstand Sauerstoff. Sauerstoff war für viele anaerobe Organismen giftig, aber einige entwickelten ihn zu einer neuen Art der Atmung, die tatsächlich viel mehr Energie lieferte als der anaerobe Prozess.
Die frühesten Lebensformen bestanden aus Zellen ohne Kerne oder andere gut definierte Strukturen. Diese werden als Prokaryoten bezeichnet und umfassen Organismen wie Bakterien und Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt. Später entstanden Zellen mit Kernen und anderen Strukturen; diese werden als Eukaryoten bezeichnet. Sie umfassen einige einzellige und alle mehrzelligen Organismen, wie Pflanzen und Tiere. Alle Eukaryoten und einige Prokaryoten verwenden aerobe Atmung.
So funktioniert die aerobe Atmung
Zellen speichern Energie in einem Molekül namens Adenosintriphosphat (ATP). Diese Verbindung enthält drei Phosphatgruppen (PO4), kann jedoch Energie freisetzen, indem sie eine davon unter Bildung von Adenosindiphosphat (ADP) verliert. Umgekehrt kann ADP eine Phosphatgruppe zu ATP gewinnen und so Energie speichern.
Ein weiteres wichtiges Molekül ist Nicotinamidadenindinukleotid. Es kann in zwei Formen existieren: NAD+, das zwei Elektronen und ein Wasserstoff-(H+)-Ion aufnehmen kann, um NADH zu bilden, das Elektronen an andere Moleküle abgeben kann. Die Verbindung wird bei der Atmung verwendet, um Elektronen von einem Ort zum anderen zu transportieren.
Ausgangspunkt der Atmung ist Glukose (C6H12O6), eines der einfachsten Kohlenhydrate. Komplexere Zuckermoleküle in Lebensmitteln werden zunächst in diese Verbindung zerlegt. Glukose wird wiederum durch einen Prozess namens Glykolyse abgebaut, der im Zytoplasma oder in der Zellflüssigkeit stattfindet und sowohl der anaeroben als auch der aeroben Atmung gemeinsam ist.
Glykolyse
Der Glykolyse-Prozess verwendet zwei ATP-Moleküle, um Glukose, die sechs Kohlenstoffatome hat, in einer Reihe von Schritten in zwei Drei-Kohlenstoff-Moleküle einer Verbindung namens Pyruvat umzuwandeln. Am Ende dieses Prozesses werden vier ATP-Moleküle produziert, so dass sich insgesamt ein Gewinn von zwei ATPs ergibt, was einen Gewinn an gespeicherter Energie darstellt. Die Glykolyse führt auch dazu, dass zwei NAD+-Moleküle jeweils zwei Elektronen und ein Wasserstoffion von der Glukose aufnehmen, um NADH zu bilden. Insgesamt führt die Glykolyse daher zu zwei Pyruvatmolekülen, zwei ATP- und zwei NADH-Molekülen.
In eukaryontischen Zellen finden die restlichen Stadien der aeroben Atmung in Strukturen statt, die als Mitochondrien bekannt sind. Es wird angenommen, dass diese winzigen Organe einst unabhängige Organismen waren, die irgendwann in der fernen Vergangenheit in die Zellen eingebaut wurden. Jedes Pyruvatmolekül wird mit Hilfe von NAD+ in eine Verbindung namens Acetyl-CoA umgewandelt, wobei ein Kohlenstoff- und zwei Sauerstoffatome verloren gehen, um Kohlendioxid als Abfallprodukt zu bilden und ein weiteres NADH-Molekül zu bilden.
Der Krebs-Zyklus
Die nächste Stufe wird Krebs-Zyklus genannt, auch bekannt als Tricarbonsäure (TCA) oder Zitronensäure-Zyklus. Acetyl-CoA aus Pyruvat verbindet sich mit einer Verbindung namens Oxaolacetat zu Citrat oder Zitronensäure, die in einer Reihe von Schritten mit NAD+ ATP sowie NADH und ein anderes Molekül namens FADH2 produziert, das eine ähnliche Funktion hat. Dies führt dazu, dass die Zitronensäure wieder in Oxalacetat umgewandelt wird, um den Zyklus erneut zu beginnen. Jeder abgeschlossene Zyklus produziert zwei Moleküle ATP, acht NADH und zwei FADH2 aus zwei Molekülen Pyruvat.
Elektronentransportphosphorylierung
Die letzte Stufe ist als Elektronentransportphosphorylierung oder oxidative Phosphorylierung bekannt. An diesem Punkt des Prozesses werden die von NADH und FADH2 getragenen Elektronen verwendet, um die Energie bereitzustellen, um Phosphatgruppen an ADP-Moleküle zu binden, um bis zu 32 Moleküle ATP zu produzieren. Dies geschieht an der Mitochondrienmembran über eine Reihe von fünf Proteinen, über die die Elektronen transportiert werden. Sauerstoff, der Elektronen leicht aufnimmt, wird am Ende des Prozesses benötigt, um sie zu entfernen. Der Sauerstoff verbindet sich dann mit Wasserstoffionen, die von NADH freigesetzt werden, um Wasser zu bilden.
Efficiency
Insgesamt kann der aerobe Atmungsprozess theoretisch bis zu 36 energiespeichernde ATP-Moleküle pro Glukosemolekül produzieren, im Vergleich zu nur zwei bei der anaeroben Atmung, was ihn zu einem viel energieeffizienteren Prozess macht. In der Praxis wird jedoch davon ausgegangen, dass typischerweise etwa 31 oder 32 ATP-Moleküle produziert werden, da in den Endstadien andere Reaktionen ablaufen können. Obwohl dieser Prozess eine hocheffiziente Art der Energiegewinnung und -speicherung ist, entstehen auch kleine Mengen sehr reaktiver Formen von Sauerstoff, die als Peroxide und Superoxide bekannt sind. Diese sind potenziell zellschädigend und es wird von einigen Wissenschaftlern angenommen, dass sie am Altern und an einigen Krankheiten beteiligt sein könnten.